Регистрация / Вход
Прислать материал

14.610.21.0006

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.610.21.0006
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и антарктический научно-исследовательский институт"
Название доклада
Создание новых методов и средств мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне Российской Федерации
Докладчик
Клепиков Александр Вячеславович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является создание экспериментальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры комплексного высокоточного спутникового мониторинга опасных гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ, использующей выгодное географическое положение архипелага Шпицберген и направленной на снижение природных рисков и предупреждение техногенных катастроф, обеспечение безопасности навигации, выявление и предупреждение экологически опасных загрязнений.
В рамках поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать высокоточные методы, модели мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ;
- разработать семь экспериментальных аппаратно-программных комплексов (ЭАПК) мониторинга и прогноза гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ со специальным программным обеспечением;
- разработать предложения и рекомендации по использованию экспериментальной информационно- телекоммуникационной инфраструктуры для подготовки и принятия решений в перспективной системе управления ледовой обстановкой Западной Арктики и в обеспечение выполнения взятых РФ государственных обязательств и решений Правительства РФ в отношении стратегии научного присутствия на архипелаге Шпицберген.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проблемы мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ обусловлена активным хозяйственным освоением арктического региона, при наличии чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, свойственных этому региону, и приоритетами «Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», утвержденной Президентом РФ 20.02.2013 г. В связи с этим, учитывая появившиеся технические и информационные возможности, существуют необходимость и возможность разработки новых методов и средств такого мониторинга. Развитие прикладных научных исследований относится к одному из наиболее актуальных и соответствующих национальным интересам РФ в Арктике направлений деятельности на архипелаге Шпицберген, нацеленных на обеспечение разработки важнейших научно-технологических решений, необходимых для инновационного развития в масштабе отдельных секторов экономики и международного сотрудничества.
Описание исследования

В части создания спутникового мониторинга и прогноза ледовой обстановки:

  • адаптирована версия модели «лед-океан», используемая для прогнозирования эволюции ледяного покрова в арктических и замерзающих морях, к акватории Западной Арктики (моря Баренцево и Карское), что повысило степень автоматизации процедуры комплексирования исходных данных и процедуры преобразования результатов прогноза в формат современных геоинформационных систем;
  •  адаптирована версия модели дрейфа айсберга, используемая для прогнозирования движения айсбергов в Карском море, к акватории Западной Арктики, которая учитывает внешние силы, влияющие на дрейф айсберга, включая окружающий ледяной покров;
  • усовершенствована трехмерная модель динамики моря;
  • уточнены алгоритмы расчета массо-габаритных характеристик айсберга.

В части создания мониторинга айсбергов и прогноза их дрейфа (включая предупреждение айсберговой опасности):

  •  адаптирована к акватории Западной Арктики методика автоматизированного определения характеристик ледяного покрова по спутниковым данным, основанная на использовании метода нейронных сетей;
  •  усовершенствована методика обнаружения айсбергов в арктических морях посредством более полного учета условий зондирования, поляризации сигнала и состояния подстилающей поверхности;
  •  повышена степень автоматизации процедуры обнаружения айсбергов по спутниковым данным с одновременным повышением вероятности их обнаружения.

В части создания мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы по спутниковым данным разработаны:

  • методы и алгоритмы восстановления параметров атмосферы, гидросферы и криосферы на основании развития физики измерений и физики взаимодействия океана и атмосферы в экстремальных природно-климатических условиях с использованием данных численного моделирования и результатов анализа спутниковых данных разного пространственного разрешения;
  • новые методы идентификации опасных природных явлений, включая определение границ суб- и мезомасштабных течений, внутренних волн, опасных ледовых явлений, зон сильных ветров и полярных циклонов, на основании физико-математического моделирования и синергетического анализа спутниковых данных высокого разрешения российских и зарубежных платформ.

В части создания мониторинга и прогноза климатических изменений:

  • выполнена систематизация данных о состоянии морской среды, морского льда, ледников и многолетней мерзлоты, атмосферы и антропогенных примесей в ней на основании данных Северо-Европейского бассейна и Северной Атлантики;
  • построены климатические карты гидрометеорологических характеристик и опасных гидрометеорологических явлений в регионе;
  • построены климатические поля с высоким пространственным разрешением;
  • разработан прогноз климатических изменений в регионе до 2070 года на основе расчетов по глобальной модели циркуляции океана с комбинированным сценарием внешнего воздействия;
  • рассчитан критерий уязвимости многолетней мерзлоты на архипелаге.

В части создания мониторинга загрязнения территории и акватории экологически опасными химическими элементами и соединениями разработаны методики высокочувствительного определения:

  • тяжелых металлов в морских водах методом рентгено-флуоресцентной спектроскопии полного внешнего отражения;
  • хлорфенолов в морской воде методом жидкостной хроматомасс-спектрометрии;
  • хлорфенолов в донных отложениях методом жидкостной хроматомасс-спектрометрии;
  • общего органического углерода в морской воде;
  • полициклических ароматических углеводородов в снеге, в ледяном покрове и в почве.

В части создания сейсмоинфразвукового мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений разработаны:

  • новые методы и программные средства автоматического детектирования, локации и кластеризации сейсмических сигналов, связанных с опасными геодинамическими процессами и взрывами для выделения районов повышенной опасности;
  • методика высокоточного дистанционного контроля калвинга выводных ледников.

В части создания мониторинга и детектирования вариаций сейсмических параметров разработаны:

  • алгоритм автоматического детектирования, основанный на методах совместного поляризационного анализа фаз Р и S;
  • годографы на основе одномерных скоростных моделей строения земной коры и верхней мантии островных и шельфовых территорий Евро-Арктического региона, в частности, архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа.
Результаты исследования

С использованием данных спутникового наблюдения разработаны новые высокоточные методы, модели и программные средства мониторинга и прогноза ледовой обстановки и предупреждения айсберговой опасности; мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы; мониторинга и прогноза климатических изменений; мониторинга загрязнения территории и акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ экологически опасными химическими элементами и соединениями; мониторинга и детектирования вариаций сейсмических параметров и сейсмоинфразвукового мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов в исследуемом регионе.

На основе высокоточных методов, моделей и программных средств разработано семь экспериментальных аппаратно-программных комплексов (ЭАПК), образующих распределенную инфраструктуру комплексного высокоточного спутникового мониторинга и прогноза опасных гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ.

Разработанные методы классификации морского ледяного покрова и обнаружения айсбергов по спутниковым данным высокого пространственного разрешения позволяют автоматизировать процесс классификации при минимизации субъективных ошибок дешифрирования и оперативно донести информацию до потребителя. Функциональные возможности разработанной программы - на мировом уровне.

Анализ и систематизация угроз климатических изменений с оценкой степени опасности для конкретных локальных районов Западной Арктики, не имеет аналогов среди отечественных и зарубежных работ. Результаты исследования и установления связей изменчивости характеристик климата внутри региона Западной Арктики с глобальными изменениями климата позволяют впервые в мировой практике установить дальние связи климатических изменений в регионе и в различных областях Мирового океана и использовать их при разработке методов прогноза климатических изменений в регионе и связанных с ними опасных природных явлений.

Разработанные методы и методики, основанные на использовании современных технологий количественного химического анализа, позволяют достичь пределов обнаружения целевых компонентов, скорости и селективности анализа и не уступают современному мировому уровню в области экоаналитической химии, а в ряде аспектов превосходят лучшие мировые аналоги.

Размещение ЭАПК на арктических островах и их адаптация к сложным условиям Арктики позволяют осуществлять сейсмический и инфразвуковой мониторинг опасных динамических процессов в литосфере, криосфере и атмосфере на качественно новом уровне, существенно увеличив разрешающую способность сети наблюдения. Полученные результаты сопоставимы с мировым уровнем. Мониторинг сейсмических событий Западной арктической зоны РФ уникален. Проведение непрерывного сейсмического мониторинга на арх. Земля Франца-Иосифа не имеет аналогов в мире. Уточнение строения земной коры и верхней мантии с использованием функции приемника сравнимо с мировыми аналогами, для Западной арктической зоны РФ - аналогов нет.

Использование разработанных методов и алгоритмов высокоточного восстановления по спутниковым данным параметров атмосферы и атмосферных явлений позволило осуществлять прогноз опасных явлений с точностью, превышающей точность аналогов мирового уровня.

Практическая значимость исследования
Разработанные высокоточные методы и аппаратно-программные средства предназначены для реализации принципиально новых инструментальных, методических и технологических возможностей в сфере мониторинга и прогноза гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Дальнейшее использование результатов ПНИЭР предполагает автоматизацию процессов усвоения исходных данных, расчетов и преобразования информации с целью повышения оперативности, производительности, надежности и точности обнаружения айсбергов и прогнозирования их перемещения, а также оценки айсберговой угрозы для инфраструктурных инженерных объектов и обеспечения безопасного судоходства в Западной Арктике. Результаты ПНИЭР могут быть использованы для специализированных информационных систем по обеспечению деятельности в Арктике: судоходства, аварийно-спасательных центров МЧС, систем управления ледовой обстановкой поискового и добычного бурения, систем обеспечения деятельности ВС в Арктике (морских, воздушных и наземных операций).
Кроме того, полученные результаты могут быть использованы для краткосрочного, среднесрочного прогнозирования природных условий при планировании и обеспечении морской и природоохранной деятельности.
Создание экспериментальных аппаратно-программных комплексов мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ обеспечит автоматизацию разработанных методов.
Разработанные новые высокоточные методы и аппаратно-программные средства мониторинга вносят существенный вклад в развитие научно-технических и технологических направлений в области рационального природопользования, развития науки и технологий мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, гидрометеорологического и геофизического обеспечения безопасности деятельности в Арктике